论文部分内容阅读
在轧制高质量型材的过程中，轧辊表面的粗糙度保持能力对于轧辊的寿命以及轧制工件的质量非常重要。激光冲击强化(LSP)是一种先进的金属材料表面改性技术，广泛用于提高金属材料的抗疲劳、抗腐蚀和耐磨性能等。激光冲击强化过程所利用的是激光诱导等离子体产生的冲击波效应，是一个高压力幅值、短脉宽、高应变率的加载过程，在这种极端加载条件下高强材料的强化效果是目前研究所欠缺的。关于激光冲击强化对于轧辊表面质量改善的研究已经有初步的探索，但是LSP对于轧辊表面粗糙度保持能力的影响以及激光参数优化和强化机理研究还有待进一步的探索。 本文以激光冲击强化对于Cr5钢表面粗糙度保持能力的影响规律为研究目的，通过光学显微镜、XRD物相分析、硬度测试和残余应力测试等测试手段对于Cr5钢在不同激光参数冲击强化后的力学特性进行表征，并进行激光参数的优化。而后，运用摩擦磨损测试手段和粗糙度测量的方法对于轧辊表面粗糙度在摩擦磨损过程中的演变过程进行记录，探索激光冲击强化对于轧辊表面粗糙度保持能力的影响作用。最后，给出了LSP对于轧辊表面粗糙度保持能力的强化机理。得到了以下结果: 1.激光冲击强化后Cr5钢表面会产生明显的凹坑，无论是方形光斑还是圆形光斑，其中心会因较高的激光功率密度而出现“残余应力洞”现象。 2.关于光斑形状的影响规律:当激光功率密度相同时，方形光斑冲击后的硬度提升小于圆形光斑，这是由于由圆形光斑转换为方形光斑过程中会有能量损失。 3.关于激光功率密度对强化效果的影响规律:在功率密度较小时，功率密度的增加会使LSP效果增强，临界功率密度大约在23GW/cm2附近，此时Cr5钢的表面硬度最高提升31％，硬化层厚度可以达到900～1000μm，残余应力最高提升600MPa左右;而超过该临界功率密度之后硬度、硬化深度和表面残余应力不会继续增加。 4.关于冲击次数的影响:多次冲击可以增强LSP的效果，但是经过3次冲击后，Cr5钢的表面强化效果会达到饱和，继续增加冲击次数反而降低表面硬度和残余应力。 5.摩擦磨损试验中，轧辊表面发生的磨损经历了两个阶段:磨合阶段和稳定磨损阶段。在磨合阶段，LSP可以显著减缓轧辊表面粗糙度的下降速度;在稳定磨损阶段，经LSP处理后的轧辊的稳定磨损能保持在能够在更大的表面粗糙度Ra下。总之，对于轧辊的磨合阶段和稳定磨损阶段，激光冲击强化都具有能够提高表面粗糙度保持能力的效果。激光功率密度对于轧辊的粗糙度保持能力的临界值同样在23GW/cm2左右。 6.LSP作用于Cr5钢提高其表面粗糙度保持能力的机制分为两个方面的原因共同作用的结果:一是由于基体硬化及晶粒细化导致轧辊表面质量的提升，二是强冲击波诱导的残余应力使Cr5钢表面粗糙度保持能力得到提高。